- Abstract
- Introducción
- Procesamiento
digital de señales - Ventajas del
procesamiento digital de señales - Desventajas del
procesamiento digital de señales - Tendencias del
PDS - Aplicación
del PDS en un radar - Conclusiones
- Referencias
Abstract
El procesamiento digital de señales (PDS, digital
signal processing o DSP) es el tratamiento, análisis y
manipulación de la información contenida en una o
más señales que a su vez pueden ser representadas
en funciones matemáticas específicas, con la
finalidad de mejorar o modificar las mismas. En este sentido la
señal está caracterizada por manejar la amplitud de
forma discreta y por estar en función del dominio del
tiempo discreto, las cuales son condiciones necesarias para que
la señal pueda ser procesada por un microprocesador o un
procesador DSP especializado.
I.
INTRODUCCIÓN
La electrónica digital es la rama de la
ingeniería encargada del estudio detallado y
sistemático del procesamiento digital de señales,
enfocada a la representación, transformación y
manipulación de la información contenida en ella.
Este tipo de señales son discretas, la amplitud solo puede
tener un numero finito de valores diferentes y su forma
eléctrica no guarda relación con su magnitud
física original, debido a que dichas señales
discretas son modificadas matemáticamente. No obstante,
cabe destacar que el primer tipo de procesamiento
electrónico de una señal que se desarrollo fue el
analógico que a diferencia del digital las señales
transportadas son continuamente variables en el tiempo y
constituyen una representación eléctrica de las
magnitudes físicas originales, tales como la voz,
temperatura, presión, imagen, entre otras.
II. Procesamiento
Digital de Señales
Antes de entrar en materia, es necesario indicar que es
una señal y se define como, "aquella cantidad
física que varía con el tiempo, espacio o cualquier
otra variable o variables independientes" [1].
Para una mejor comprensión de la
definición de PDS y un mayor sustento del tema, se tomo en
cuenta la siguiente definición, la cual estipula que el
"Procesamiento Digital de Señales" (DSP) se concentra en
el análisis y en el procesamiento de señales
representadas en forma digital, es decir, discretizadas en el
tiempo y en la amplitud" [2]. Dicho contenido coincide con el
objetivo de este artículo.
A su vez, "Con las técnicas digitales, se produce
una taza de error extremadamente baja, produciendo una
señal de alta fidelidad con posibilidad de
detección de error y corrección por un proceso
similar que no es compatible con los analógicos"
[3].
En el PDS es de suma importancia considerar la
discretización en el tiempo, la discretización en
amplitud y la codificación o digitalización de la
señal, mas aun si la señal eléctrica a
tratar es de tipo analógica; la primera se define como el
muestreo de la señal y matemáticamente modifica las
ecuaciones de las trasformadas, convolución,
correlación, entre otras y si no cumple con ciertas
premisas como el teorema de Nyquist genera un posible problema,
denominado aliasing que no es más que el solapamiento de
la señal y se origina cuando la tasa de muestreo es
insuficiente, ocasionando una perdida irrecuperable de la
información contenida en la señal. Por otra parte,
la segunda consideración es definida como la
cuantificación (cuantización) de la señal,
esta parte del proceso puede ser casi imperceptible si se
cuantifica la señal con muchos bits o muy notoria si la
cuantificación consta de pocos bits, la
discretización en amplitud puede provocar algunos efectos
indeseables, tales como: Si procede de la conversión A/D
de la señal, adiciona un fenómeno denominado ruido
de cuantización, también afecta los cálculos
y si es significativo, puede producir errores importantes e
incluso inestabilidad en algunos sistemas. Finalmente la
codificación consiste en digitalizar la señal en
valores binarios (0 y 1), representados de acuerdo al
número de símbolos o bits y para ello existen
varias técnicas de codificación, tales como; NRZ,
UNRZ, mánchester, entre otras… También es
importe resaltar que el PDS "requiere de 2 componentes
esenciales: un algoritmo y una máquina calculadora"
[4].
De esta manera se aprecia que el PDS requiere en su
sistema de un filtro antialiasing, de un convertidor A/D
(muestreo, cuantificación y codificación de la
señal), un procesador DSP, un convertidor D/A y un filtro
analógico para suavizar la salida, tal y como lo muestra
la siguiente ilustración.
Fig. 2 Sistema de procesamiento de
señales
Ilustrando la señal de entrada analógica y
los pasos del procesamiento digital de señales (PDS), el
primer bloque representa un filtro pasabajo análogo,
encargado de limpiar la señal antes de realizar el
muestreo; el argumento teórico de esta necesidad de
filtrado viene dada por el teorema de Nyquist escrito en su
artículo Certain Topics in Telegraph Transmission
Theory, publicado por Harry Nyquist en 1928, el cual
indico "el efecto producido en el espectro de la frecuencia de
una señal analógica al ser discretizada en el
tiempo" [5] y por Claude Shanon en su artículo
Communications in the presence of noise publicado en 1949,
donde demostró que "es posible reconstruir perfectamente
una señal analógica a partir de sus muestras, si se
dispone de un filtro pasabajos análogos" [6]. Luego la
segunda sección en la figura representa la
conversión analógica-digital que no es más
que el muestreo, la cuantificación y la
codificación de la señal. Posteriormente el bloque
PDS, es similar a un procesador o microprocesador, que tiene la
finalidad del procesado digital, ajustados a las necesidades
requeridas y a la aplicación que se le otorgue.
Seguidamente el cuarto bloque es en resumidas cuentas el proceso
inverso de la segunda sección, este constituye un
convertidor digital-analógico. El quinto modulo viene dado
por otro filtro. Finalmente se obtiene la señal original
analógica recuperada.
Por consiguiente, en un sistema de comunicaciones
digital todo este proceso, se lleva a cabo al principio, del
mismo exactamente en la fuente y formateo de la señal,
donde se digitaliza la señal, a través de la
codificación y al final del mismo en la
decodificación y posteriormente el formateo de la
señal. Tal y como lo muestra la siguiente
ilustración.
Fig. 2 Sistema de comunicación
digital [7]
III. VENTAJAS DEL
PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES
¿Por qué aplicar el PDS a las nuevas
tecnologías? y ¿Por qué los sistemas de hoy
en día utilizan el PDS?
La respuesta es fácil, debido a son más
confiables y ofrecen una serie de ventajas muy por encima de las
que puede brindar su contraparte, es decir el PAS; a
continuación las siguientes ventajas:
Ofrecen mayores facilidades, en comparación
con las analógicas, para ser recuperadas. La Fig. 3
ilustra un pulso digital binario ideal que se propaga a
través de una línea de transmisión, el
cual demuestra como la distorsión puede afectar una
señal analógica, generando una forma de onda
inaceptable y de cómo puede ser recuperada si se
digitaliza.Variaciones en su forma. Con circuitos
analógicos, una gran distorsión puede dar una
reproducción de la onda con una distorsión
inaceptable. Una vez que la señal analógica
esta distorsionada, la distorsión no puede ser
removida por los amplificadores. Además la
inserción de ruido en sistemas analógicos es
irrecuperable, y esta no puede ser perfectamente regenerada.
Ver la Fig. 3.Con las técnicas digitales, se produce una
taza de error extremadamente baja, produciendo una
señal de alta fidelidad con posibilidad de
detección de error y corrección por un proceso
similar que no es compatible con los
analógicos.Hay otras importantes ventajas para las
comunicaciones digitales son más seguras y pueden ser
producidas a un costo más bajo que los circuitos
analógicos.También, el hardware digital presenta una
mayor flexibilidad para su implementación que el
hardware analógico. La combinación de
señales digitales usando multiplexión por
división de tiempo (TDM) la cual es más simple
que la combinación de señales analógicas
usando multiplexión por división de frecuencia
(FDM).Diferentes tipos de señales digitales pueden
ser tratadas con señales similares y ser transmitidas
y switcheadas bit a bit. También por un swicht
conveniente, los mensajes digitados pueden ser transmitidos
en grupos autónomos denominados paquetes. La
técnica digital presenta condiciones naturales para el
procesamiento de la señal que protegen de
interferencia y jaming o para proveer encriptación y
privacidad. También, aplica en comunicaciones entre
computadoras y entre un instrumento digital o un terminal
para computación.El tiempo de los componentes y las derivas
térmicas no afectan el resultado del
proceso.Todos los dispositivos fabricados se comportan de
forma idéntica, debido a que la tolerancia de los
componentes no influye en el procesamiento. La tolerancia de
los componentes en un sistema análogo hacen que esto
sea una dificultad para el diseñador al controlar la
exactitud de la señal de salida análoga. Por
otro lado, la exactitud de la señal de salida para un
sistema digital es predecible y controlable por el tipo de
aritmética usada y el número de bits usado en
los cálculos.Se puede reconfigurar un dispositivo modificando los
valores de algunos coeficientes; no es necesario ajustar
potenciómetros o reemplazar componentes.El procesamiento análogo de señales de
muy baja frecuencia se dificulta debido al requerimiento de
capacitores de gran capacidad y muy baja corriente de fuga.
En el caso del procesamiento digital no existen limitaciones;
se puede procesar señales con periodos de horas (tales
como las mareas) e incluso de años (manchas
solares).El tamaño de los componentes es
constante.El procesamiento digital es capaz de realizar tareas
muy complejas.La Tecnología VLSI (Very Large Scale
Integration) da la posibilidad de diseñar sistemas con
la capacidad para ejecutar procesamiento en tiempo real de
muchas de las señales de interés para
aplicaciones en comunicaciones, control, procesamiento de
imagen, multimedia, entre otros.Los sistemas digitales ofrecen una mayor
flexibilidad que los correspondientes sistemas
análogos.Mayor precisión y mayor exactitud pueden ser
obtenidos con sistemas digitales, comparado con los
correspondientes sistemas análogos.Un sistema programable permite flexibilidad en la
reconfiguración de aplicaciones DSP.Las señales digitales pueden ser almacenadas
en un disco flexible, Disco Duro o CD–ROM, sin la
pérdida de fidelidad más allá que el
introducido por el convertidor Análogo Digital (CAD).
Éste no es el caso para las señales
análogas.
Fig. 3 Degradación de la
señal [8]
IV. DESVENTAJAS
DEL PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES
La conversión de una señal
analógica en digital, obtenida muestreando la
señal y cuantificando las muestras, produce una
distorsión que impide la exacta reconstrucción
de la señal analógica original a partir de
muestras cuantificadas.Los sistemas digitales necesitan alcanzar un alto
grado de sincronización, en donde en los sistemas
analógicos esto es mucho más
fácil.Mayor limitación en frecuencias altas, debido
a que normalmente se requieren convertidores A/D capaces de
tomar muestras a una tasa varias veces mayor que la de la
frecuencia de la señal análoga y procesadores
capaces de efectuar muchas operaciones por cada muestra
recibida. Por ejemplo un filtro FIR con una respuesta de
impulso de 1000 coeficientes, operando a una tasa de
muestras por
segundo, requeriría un procesador capaz de efectuar al
menos multiplicaciones y sumas por
segundo.El diseño generalmente es más
complejo, debido a que incluye aspectos de hardware y
software.El rango dinámico de la amplitud
(razón más grande y la más
pequeña recibida que pueden ser procesadas) es
más limitado, debido a la discretización en la
amplitud. Sin embargo, la disponibilidad actual de
convertidores A/D de alta resolución (18 a 24 bits) y
de procesadores capaces de efectuar cálculos en puntos
flotantes con un gran número de decimales, puede
eliminar esta desventaja en muchas casos.El rango dinámico en la frecuencia
también es más limitado. Por ejemplo, un filtro
análogo sencillo podría procesar
simultáneamente componentes de 1 Hz y de 1 MHz, a
pesar de que las dos frecuencias están separadas por
seis órdenes de magnitud. Para realizar la misma tarea
con un filtro digital, sería necesario procesar un
gran número de muestras, ya que debería
discretizar a una tasa mínima de muestras para
representar solo 1 ciclo de la componente 1 Hz.Una desventaja de los sistemas digitales es la
utilización de grandes anchos de banda. Cuando la
relación señal-ruido alcanza un cierto nivel,
la calidad del servicio puede pasar de muy buena a muy mala.
En contraste con los sistemas de comunicación
analógicos donde tenemos una degradación
más natural.Existen efectos debidos a la precisión finita
que deben ser considerados en el procesado digital de las
muestras cuantificadas.Para muchas señales de gran ancho de banda,
se requiere procesado en tiempo real. Para tales
señales, el procesado analógico, o incluso
óptico, son las únicas soluciones
válidas. Sin embargo, cuando los circuitos digitales
existen y son de suficiente velocidad se hacen
preferibles.
V. TENDENCIAS DEL
PDS
En los últimos 30 o 40 años con el avance
vertiginoso de la tecnología y de las telecomunicaciones
se ha producido una migración cada vez mayor desde el
procesamiento análogo hacia el procesamiento digital. Al
mismo tiempo, han surgido nuevas técnicas y nuevas
aplicaciones; que a su vez han generado nuevas tendencias en
campos de la ingeniería, en especial de las ramas que se
avocan al estudio, diseño y desarrollo de nuevas
arquitecturas con altas prestaciones para el PDS, tales como la
electrónica, las telecomunicaciones y la electricidad. A
continuación se mencionan algunas de las tendencias
actuales del PSD en diversas ramas de la
investigación.
Voz: Compresión de la
información, identificación de personas y
reconocimiento de voz (dictado por voz).Telefonía: Desarrollo de nuevas
técnicas como LTE entre otras, conmutación
(centrales telefónicas digitales),
decodificación de discado por tonos (DTMF), modems,
canceladores de ecos, teléfonos celulares digitales
(PCS), telefonía Ip, multimedia y teléfonos
satelitales.Redes de datos: Integración de todos
los servicios de telecomunicaciones en uno.Domótica: Para la
automatización de los hogares de las personas.Televisión: Televisión digital
terrestre (TDC), IpTv, cancelación adaptiva de
multipath para eliminar los "fantasmas", filtros "peineta"
para mejorar la separación de luminancia y color en la
señal de video compuesto, TV digital de alta
definición (HDTV), compresión de la
información.Sistemas satelitales: Enlaces dedicados
digitalización y codificación de servicios como
Tv, telefonía, datos y multimedia.Radiocomunicaciones Aeronáuticas: Para
la medición de distancia y ubicación de
aeronaves en el espacio aéreo.Verificación de la calidad del suministro
eléctrico: Detección de transientes,
medición de valor efectivo, potencia, factor de
potencia, contenido armónico y flicker.Sonar: formación de haces, para
orientar electrónicamente el arreglo de transductores;
en modo activo, medición de la distancia, la
demarcación y la velocidad de los contactos; en
modo pasivo, clasificación de los contactos en
base al ruido emitido por ellos.Medicina: Reducción de ruido y
diagnóstico automático de electrocardiogramas y
electroencefalogramas; formación de imágenes en
tomografía axial computarizada (scanner),
resonancia magnética nuclear y ecografía
(ultrasonido).Análisis de vibraciones: En
máquinas, para detectar tempranamente el desgaste de
rodamientos o engranajes, comparando el análisis
espectral de las vibraciones con un espectro de referencia
obtenido cuando la máquina no tiene defectos.Oceanografía: Alerta temprana de
maremotos o tsunamis cuando se propagan en el
océano abierto, en base a las características
de esas ondas que las diferencian de lasolas y de las mareas; análisis
armónico y predicción de mareas;
medición de la energía de las olas con el
objeto de dimensionar muelles y otras estructuras
sumergidas.Astronomía: Detección de
planetas en estrellas lejanas, en base al movimiento
oscilatorio que inducen en las estrellas alrededor de las
cuales orbitan.Radioastronomía: Búsqueda de
patrones en las señales recibidas por los
radiotelescopios, para detectar inteligencia extraterrestre
(SETI).Imágenes: Mejora del brillo,
contraste, colorido y nitidez, restauración de
imágenes borrosas debido al movimiento de la
cámara o del elemento fotografiado, compresión
de la información.Audio: Ecualización,
reverberación artificial, compresión de la
información (MP3), cancelación activa de ruido
ambiente (inyectando ruido en contrafase).Industria automotriz: Control de la
inyección y del encendido del motor para maximizar el
rendimiento y minimizar las emisiones; control de la
transmisión automática para maximizar la
economía de combustible o la aceleración del
vehículo; control del flujo de energía en los
vehículos híbridos.
V.
APLICACIÓN DEL PSD EN UN RADAR
El sistema de radio detección y rango mejor
conocido como radar, fue una de las primeras aplicaciones del
procesamiento de señales digital, el cual es necesario
para la medición de la distancia y de la velocidad de los
blancos móviles (aeronaves). La compresión del
pulso, permite incrementar la longitud de los pulsos para
aumentar el alcance, manteniendo la resolución en
distancia.
En este caso se estudiara muy brevemente la
aplicación del radar primario de vigilancia ATCR-33S,
fabricados por la empresa italiana SELEX, este sistema procesa la
señal a nivel de recepción con un procesador de
señales que digitaliza la señales analógicas
que se reflectan en los blancos móviles y a su vez,
procesa datos meteorológicos. Es decir, "el procesador de
señales recibe las señales analógicas y las
digitaliza, utiliza la técnica de comprensión de
pulsos por impulsos para realizar el filtrado doppler, la
detección de blancos y procesar datos
meteorológicos como la lluvia" [9]. Todo esto es de gran
ayuda para el control y vigilancia del tráfico
aéreo que cada día se incrementa de manera
acelerada. A continuación si ilustra parte de la
arquitectura que usa este sistema en la Fig. 4.
Fig. 4 Arquitectura del PDS en un RADAR
de vigilancia primario ATCR-33S, SELEX.
VI.
CONCLUSIONES
El procesamiento digital de señales representa el
futuro en el estudio de nuevas tecnologías que de la mano
de campos de la ingeniería como la electrónica
concretaran la evolución de la misma y garantizaran
avances tan significativos que la calidad de vida de los seres
humanos se incrementara de forma sustancial. En este sentido, la
fabricación y diseño de nuevas arquitecturas y el
incremento de la velocidad del cálculo matemático
de estos microprocesadores, que por lo general es en tiempo real,
serán las principales características que
estarán estrechamente ligada al tipo de aplicación
que se le quiera dar, lo que quiere decir, que la tendencia es
que siga evolucionando el PDS con arquitecturas que estén
cada vez mas adaptadas a las necesidades y particularidades de
las diferentes aplicaciones. De tal manera que a nivel de
prestaciones puede atender exigencias particulares como por
ejemplo la domotica, donde el usuario demanda los requisitos; sin
embargo existen otros aspectos a considerar como el costo y el
consumo que pueden disminuir el número el interés
en su estudio.
Finalmente se puede decretar el triunfo inminente del
procesamiento digital de señales sobre el procesamiento
analógico de señales con un gran número de
ventajas a nivel de costos y tamaño de los componentes,
así como también la confiabilidad y fidelidad que
nos ofrece el PDS, con respecto a la calidad de la
señal.
REFERENCIAS
[1] Alvarado. (2011). "Procesamiento Digital de
Señales". Escuela de Ingeniería Electrónica,
Tecnológico de Costa Rica. Disponible en Línea:
http://www.ie.itcr.ac.cr/palvarado/PDS/pds.pd.
[2] Barchiesi, J. (2008), "Introducción al
Procesamiento Digital de Señales", Ediciones
Universitarias Valparaíso, Chile, pp.13.
[3] Sklar, (2001). "Comunicación Digital
Avanzada". Editorial Prentice Hall, pp. 4.
[4] Vega, (2006). "Introducción a los
sistemas de telecomunicación", Dpto. de
Ingeniería de Comunicaciones, Universidad de Cantabria,
pp. 18.
[5] Barchiesi, J. (2008), "Introducción al
Procesamiento Digital de Señales", Ediciones
Universitarias Valparaiso, Chile, pp.23.
[6] Barchiesi, J. (2008), "Introducción al
Procesamiento Digital de Señales", Ediciones
Universitarias Valparaiso, Chile, pp.23.
[7] Sklar, (2001). "Comunicación Digital
Avanzada". Editorial Prentice Hall, pp. 3.
[8] Sklar, (2001). "Comunicación Digital
Avanzada". Editorial Prentice Hall, pp. 1.
[9] Selex, (2007). "Technical Manual ATCR-33S-DPC
Receiver". Marconi Systems, pp. 4-4-1.
Autor:
Oskar Sánchez
oskar.sanchez[arroba]inac.gob.ve
Dirección de Investigación y
Postgrado, Universidad Nacional Politécnica "Antonio
José de Sucre"
Barquisimeto, Venezuela